The purpose of the softmax function is to preserve the ratio of the vectors as opposed to squashing the end-points with a sigmoid as the values saturate (i.e. tend to +/- 1 (tanh) or from 0 to 1 (logistical)). This is because it preserves more information about the rate of change at the end-points and thus is more applicable to neural nets with 1-of-N Output Encoding (i.e. if we squashed the end-points it would be harder to differentiate the 1-of-N output class because we can't tell which one is the "biggest" or "smallest" because they got squished.); also it makes the total output sum to 1, and the clear winner will be closer to 1 while other numbers that are close to each other will sum to 1/p, where p is the number of output neurons with similar values.

从向量中减去最大值的目的是，当你计算e^y指数时，你可能会得到非常高的值，将浮点数夹在最大值处，导致平局，但在这个例子中不是这样。如果你减去最大值得到一个负数，那么就会出现一个大问题，然后你就会得到一个负指数，它会迅速缩小数值，改变比率，这就是在海报上的问题中发生的情况，并得到错误的答案。

Udacity提供的答案效率低得可怕。我们需要做的第一件事是计算所有向量分量的e^y_j, KEEP这些值，然后求和，然后除。Udacity搞砸的地方是他们计算了两次e^y_j !!正确答案如下:

def softmax(y):
    e_to_the_y_j = np.exp(y)
    return e_to_the_y_j / np.sum(e_to_the_y_j, axis=0)

他们都是正确的，但从数值稳定性的角度来看，你的更合适。

你从

e ^ (x - max(x)) / sum(e^(x - max(x))

利用a^(b - c) = (a^b)/(a^c)我们得到

= e ^ x / (e ^ max(x) * sum(e ^ x / e ^ max(x)))

= e ^ x / sum(e ^ x)

这就是另一个答案说的。你可以用任意变量替换max(x)它会消掉。

所以，这实际上是对desertnaut的回答的一个评论，但由于我的声誉，我还不能评论它。正如他所指出的，只有当输入包含单个样本时，你的版本才是正确的。如果您的输入包含多个样本，则是错误的。然而，沙漠探险者的解决方案也是错误的。问题是一旦他得到一个一维的输入然后他又得到一个二维的输入。让我给你们看看这个。

import numpy as np

# your solution:
def your_softmax(x):
    """Compute softmax values for each sets of scores in x."""
    e_x = np.exp(x - np.max(x))
    return e_x / e_x.sum()

# desertnaut solution (copied from his answer): 
def desertnaut_softmax(x):
    """Compute softmax values for each sets of scores in x."""
    e_x = np.exp(x - np.max(x))
    return e_x / e_x.sum(axis=0) # only difference

# my (correct) solution:
def softmax(z):
    assert len(z.shape) == 2
    s = np.max(z, axis=1)
    s = s[:, np.newaxis] # necessary step to do broadcasting
    e_x = np.exp(z - s)
    div = np.sum(e_x, axis=1)
    div = div[:, np.newaxis] # dito
    return e_x / div

让我们以沙漠探险者为例:

x1 = np.array([[1, 2, 3, 6]]) # notice that we put the data into 2 dimensions(!)

输出如下:

your_softmax(x1)
array([[ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037047]])

desertnaut_softmax(x1)
array([[ 1.,  1.,  1.,  1.]])

softmax(x1)
array([[ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037047]])

你可以看到沙漠版本在这种情况下会失败。(如果输入是一维的，就不会像np那样。数组([1,2,3,6])。

现在让我们使用3个样本，因为这就是为什么我们使用二维输入的原因。下面的x2和沙漠例子中的x2不一样。

x2 = np.array([[1, 2, 3, 6],  # sample 1
               [2, 4, 5, 6],  # sample 2
               [1, 2, 3, 6]]) # sample 1 again(!)

该输入由一个有3个样本的批次组成。但样本一和样本三本质上是一样的。我们现在期望3行softmax激活，其中第一行应该与第三行相同，也与x1的激活相同!

your_softmax(x2)
array([[ 0.00183535,  0.00498899,  0.01356148,  0.27238963],
       [ 0.00498899,  0.03686393,  0.10020655,  0.27238963],
       [ 0.00183535,  0.00498899,  0.01356148,  0.27238963]])


desertnaut_softmax(x2)
array([[ 0.21194156,  0.10650698,  0.10650698,  0.33333333],
       [ 0.57611688,  0.78698604,  0.78698604,  0.33333333],
       [ 0.21194156,  0.10650698,  0.10650698,  0.33333333]])

softmax(x2)
array([[ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037047],
       [ 0.01203764,  0.08894682,  0.24178252,  0.65723302],
       [ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037047]])

我希望你能明白，这只是我的解的情况。

softmax(x1) == softmax(x2)[0]
array([[ True,  True,  True,  True]], dtype=bool)

softmax(x1) == softmax(x2)[2]
array([[ True,  True,  True,  True]], dtype=bool)

另外，下面是TensorFlows softmax实现的结果:

import tensorflow as tf
import numpy as np
batch = np.asarray([[1,2,3,6],[2,4,5,6],[1,2,3,6]])
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 4])
y = tf.nn.softmax(x)
init = tf.initialize_all_variables()
sess = tf.Session()
sess.run(y, feed_dict={x: batch})

结果是:

array([[ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037045],
       [ 0.01203764,  0.08894681,  0.24178252,  0.657233  ],
       [ 0.00626879,  0.01704033,  0.04632042,  0.93037045]], dtype=float32)

编辑。从1.2.0版本开始，scipy包含了softmax作为一个特殊函数:

https://scipy.github.io/devdocs/generated/scipy.special.softmax.html

我写了一个在任意轴上应用softmax的函数:

def softmax(X, theta = 1.0, axis = None):
    """
    Compute the softmax of each element along an axis of X.

    Parameters
    ----------
    X: ND-Array. Probably should be floats. 
    theta (optional): float parameter, used as a multiplier
        prior to exponentiation. Default = 1.0
    axis (optional): axis to compute values along. Default is the 
        first non-singleton axis.

    Returns an array the same size as X. The result will sum to 1
    along the specified axis.
    """

    # make X at least 2d
    y = np.atleast_2d(X)

    # find axis
    if axis is None:
        axis = next(j[0] for j in enumerate(y.shape) if j[1] > 1)

    # multiply y against the theta parameter, 
    y = y * float(theta)

    # subtract the max for numerical stability
    y = y - np.expand_dims(np.max(y, axis = axis), axis)

    # exponentiate y
    y = np.exp(y)

    # take the sum along the specified axis
    ax_sum = np.expand_dims(np.sum(y, axis = axis), axis)

    # finally: divide elementwise
    p = y / ax_sum

    # flatten if X was 1D
    if len(X.shape) == 1: p = p.flatten()

    return p

正如其他用户所描述的那样，减去最大值是很好的做法。我在这里写了一篇详细的文章。

我想说，虽然从数学上讲，这两种方法都是正确的，但就实现而言，第一个方法更好。在计算softmax时，中间值可能会变得很大。两个大数的除法在数值上是不稳定的。这些笔记(来自斯坦福大学)提到了一个归一化技巧，这基本上就是你正在做的事情。

我需要一些与Tensorflow的密集层输出兼容的东西。

来自@desertnaut的解决方案在本例中不起作用，因为我有一批数据。因此，我提出了另一个解决方案，应该在这两种情况下工作:

def softmax(x, axis=-1):
    e_x = np.exp(x - np.max(x)) # same code
    return e_x / e_x.sum(axis=axis, keepdims=True)

结果:

logits = np.asarray([
    [-0.0052024,  -0.00770216,  0.01360943, -0.008921], # 1
    [-0.0052024,  -0.00770216,  0.01360943, -0.008921]  # 2
])

print(softmax(logits))

#[[0.2492037  0.24858153 0.25393605 0.24827873]
# [0.2492037  0.24858153 0.25393605 0.24827873]]

参考:Tensorflow softmax